磁悬浮技术在电梯中的应用前景

焦一帆

摘 要：随着城市化的普及，楼层建筑呈现高层化。电梯作为一种垂直交通工具，对城市的发展越来越重要。自电梯诞生之日起，人们对电梯的舒适性、方便性、便捷性、快速性等方面的追求从未止步。如何将磁悬浮技术应用在竖直导轨上的技术，也就是磁悬浮电梯，也应该进行尝试。本文就磁悬浮技术在电梯中的应用进行了讨论。

关键词：磁悬浮；电梯；应用前景

中图分类号：O441 文献标识码：A

磁悬浮电梯是一种以磁悬浮技术应用于电梯的产物。把磁悬浮列车竖起来开，但是其中还有很多技术问题有待于解决。这种技术主要是通过结合运用磁铁的吸引及排斥作用使得物体悬浮静止在半空。不像以往的旧式电梯需要靠垂直轨道牵引升降，它去除了传统电梯的钢缆、曳引机、钢丝导轨、配重、限速器、导向轮、配重轮等复杂的机械设备。新型的磁悬浮电梯在轿厢内装有磁铁，在移动时与电磁导轨（直线电机）上的电磁线圈通过磁力相互作用综合调整，使得轿厢与导轨“零接触”。由于不存在摩擦磁悬浮电梯于运行时非常安静并更加舒适，还可以达到传统电梯无法企及的极高速。该种电梯适用于楼宇用梯、发射平台及太空电梯等载人、载物的垂直运输设备。该种电梯非常节能。它根据电磁感应原理可以利用电磁导轨切割磁感线的形式来回收轿厢动能及势能，使得它的能耗极大地降低。

1.磁悬浮技术原理及概述

自磁悬浮技术开发以来，科学工作者便致力于将磁悬浮技术应用在工业，生活等领域中。就目前而言，磁悬浮技术比较成熟的是电磁悬浮技术。另外磁悬浮技术主要包括光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬浮、粒子束悬浮等，如图1所示。高频电磁场在金属表面会产生涡流，产生一个力，托起金属球。这种原理就是电磁悬浮技术（Electromagnetlc Levitate），简称EML技术。从力学上看，电磁悬浮技术就是通过高频电场产生一个洛伦兹力，在合适的空间配置下，使洛伦兹力的方向同重力的方向相反，力作用平衡，实现电磁悬浮。其中高频电场是一个十分重要的因素。在高频电场放置一个金属样品时，高频电厂会在金属表面产生高频涡流，高频涡流与外磁场相互作用就会使金属受到一个洛伦兹力，这也是洛伦兹力的产生方式。一般高频电厂的是将交变电流为104Hz～105Hz的通过线圈中产生的。

2.传统电梯的问题

（1）重心不能完全重合而造成的电梯平衡问题一直困扰着电梯界多年。传统电梯的设计原理是曳引绳的拉力同电梯的重力达到力的平衡，从而工作。这种平衡仅仅是理论上的计算，即使在无人情况下达到了实际应用的平衡，也无法满足在载人工况下力的平衡。传统电梯要求曳引绳的中心与轿厢中心完全重合，但是在实际工况中，不太可能达到。载人的状况千变万化，乘客在轿厢中的位置分布也是随机的，这样在导靴与导轨之间的磨损就是不可避免地存在，有的时候会很严重，从而导致服务质量的问题。关于导靴磨损严重的反馈和事故等也常常出现，网上出现的电梯事故也多是这种原因。而导轨使用问题往往是在使用一段时间出现的，这种状况恰好说明了是磨损的问题。磁悬浮技术应用在导轨上恰好解决了这个问题，磁悬浮电梯的导靴不与导轨直接接触，这样就不会出现磨损的问题，并且还可以省去导靴这个部件，使电梯的结构简单化。

（2）噪音污染。平稳性不好也一直困扰着传统电梯，根本无法得到解决。接触便会产生摩擦，理论上0摩擦的接触是不存在的。导靴与导轨是采用机械接触的，所以也会产生摩擦，产生噪声。现在的技术在导轨的接头处是无法做到无缝连接的，再加上导轨表面粗糙度精度有限，如今市面上导轨的精度一般在0.4左右，使用的是机械抛光在电解的方式。所以导靴在导轨上运行时会产生撞击声、摩擦声，且速度越快噪声越大。另外受限于技术，导轨的直线度也无法保证有很高的精度，随着楼层的增高，电梯航程便会加大，从而降低电梯的直线度，当电梯运行很快时，轿厢中的乘客就会感觉道明显的晃动感，也就是平稳性差。

3.磁悬浮电梯的应用前景

随着磁悬浮技术在高速铁路上的应用，技术越来越成熟，人们对此悬浮技术的应用前景充满了期待，期待磁悬浮技术更好地改造生活中，生产中的工作方式。同为运输工具的电梯应用磁悬浮技术是人们考虑的方向。舒适性和安全性越来越考验如今的电梯。随着楼层越来越高，电梯的航程也越来越远，如今的老式电梯明显不能解决这个问题。而磁悬浮技术恰恰可以很好地解决这些问题。电磁悬浮系统、推进系统和导向系统是磁悬浮电梯正常运行需要的3个系统。

（1）电磁悬浮系统利用电磁铁和导轨上的铁磁导轨相互吸引产生的力悬浮，是一种吸力悬浮系统。磁悬浮电梯工作时，是利用吊架上的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力同导轨轨道两侧的绕组发生铁磁反作用将掉吊架与导轨分离，实现悬浮的目的。轮轨在垂直方向是无接触支撑和接触导向的。为了保证掉吊接和导轨轨道之间的悬浮间隙，高精度的电子调整系统被应用。（2）推进系统是指一种利用反作用原理为设备提供推力的装置。其是磁悬浮电梯导向和运行的动力，其由马达来实现。（3）导向系统顾名思义就是来引到电梯吊架的系统，磁悬浮电梯的导向系统是利用侧向力来完成吊架沿着导轨的方向平稳运动。永久磁铁和电磁铁组成了复合磁铁装置，利用复合磁铁装置，吊架导靴和升降导轨有一定的缝隙，不需要两者接触就可以升降轿厢。装置的布置也是符合力学平衡原理。取轿厢的上下梁的两端4个位置，两块磁铁相向安装在磁铁中，位于板状导轨的两侧，另外用于检测导轨位置关系的传感器也需要安装。导轨和磁铁装置的位置关系就是通过这些装置来控制的。

4.磁悬浮电梯的优缺点

优点：（1）导轨的粗糙度不影响电梯的运行，减少了加工成本，减少了直线度和扭曲度的影响。（2）提高了舒适性，磁悬浮电梯运行平稳，不受重心、摩擦和噪音的影响。（3）克服安装偏差，提高安全性。（4）使用电能，利用永久磁铁，节能。（5）速度快。（6）磁悬浮电梯运行轨道长，高达数百米，适用于现代化楼层。（7）有利于环保，减少污染。（8）维护成本低。

缺点：（1）由于磁悬浮电梯和现有的电梯工作原理不同，必须从新设计制造新的导轨，无法在原有设备的基础上进行利用和改造，需要一定的经济基础。（2）相对于常规电梯，磁悬浮电梯制动能力下降。（3）稳定性和安全性需要实际考验。（4）无法避免磁场对人体的影响。

结语

随着经济的快速发展，楼房高层化已经成为趋势，这也是为了利用空间和增加土地利用率所采取的措施。所以对电梯的舒适性和速度有了要求。常规电梯明显对这方面的要求满足不了，粗悬浮技术就是在这种情况下走进我们的视野。可以预见，磁悬技术随着超导材料和超低温技术的发展，磁悬浮电梯应用在电梯上的成本便会大大降低，磁悬浮电梯就会出现在我们的日常生活中，电梯的性能和舒适度就会大大提高，磁悬浮电梯就会同目下的常规电梯飞驰在高楼大厦之中，给我们的生活增添舒适和快捷。

参考文献

[1]张钢，虞烈，谢友柏.电磁轴承的发展与研究[J].轴承，1997（10）：13-17+44.

[2]李慧敏，枉希宣.磁悬浮轴承的研究现状和发展趋势[J].轴承，2003（6）：50-52.